森林火险等级预报应用研究

于茜 李静 何龙 曾晓明 钱达

摘 要：森林生态系统是保护和改善人类生存环境的重要支柱，具有促进社会经济的发展和调节生态环境的双重作用，但春秋季节频发的森林火灾给环境建设和经济发展带来了很大损失，预测森林火险的发生等級对于森林资源的管理具有重要意义。文章利用Matlab软件，将最高气温、最小相对湿度、最大风速、降水量的逐日气象数据和遥感植被数据输入森林火险天气等级模型，应用于大兴安岭地区，最后利用火灾样本数据检验模型的精度。结果表明，根据matlab森林火险等级预报系统模型可以预测森林地区的火险等级，识别火灾发生概率高的期间和区域，有助于森林管理员的防火措施工作，能够为无人机规划合理的飞行路线提供参考。

关键词：森林火险等级预报；气象因素；植被覆盖度

中图分类号：S762.2 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）27-0047-02

Abstract： Forest ecosystem is an important pillar to protect and improve the living environment of human beings. It has the dual functions of promoting the development of social economy and regulating the ecological environment. But the frequent forest fire in spring and autumn has brought a lot of losses to the environmental construction and economic development. It is of great significance to predict the occurrence grade of forest fire insurance for the management of forest resources. Using Matlab software， the daily meteorological data of maximum temperature， minimum relative humidity， maximum wind speed and precipitation and remote sensing vegetation data are inputted into forest fire danger weather grade model and applied to Daxing'anling area. Finally， the accuracy of the model is tested by the fire sample data. The results show that according to the model of Matlab forest fire danger grade forecast system， the fire danger grade of forest area can be predicted， and the period and area with high probability of fire occurrence can be identified， which is helpful to the fire prevention measures of forest managers. It can provide reference for the UAV to plan a reasonable flight path.

Keywords： forest fire danger grade forecast； meteorological factors； vegetation coverage

引言

森林火灾是指失去人为控制，在林地内自由蔓延和扩展，对森林、森林生态系统和人类带来一定危害和损失的林火[1]。我国频繁发生的森林火灾给我国的生态环境和经济发展带来了极大的损失。因此对森林火灾进行积极有效的预防和控制一直以来都是十分重要的研究课题[2]。国内外关于森林火险预报的研究模型有多种，国外有实效湿度法、聂斯切洛夫综合指数法、美国国家火险等级系统、加拿大森林火灾天气指标系统（FWI）和马卡什研究的林火预报的森林火险尺等方法，我国有综合指标法、风速补正综合指标法、双指标法、801火险尺法和全国森林火险天气等级等[3-6]。然而，我国目前的森林火灾预测主要在模型的研究阶段，缺乏对模型的应用和精度检验，但是对森林火灾预测的需求中，模型应用于实际的预测精度是不容忽视的[8]。

1 实验区和数据

大兴安岭地区位于黑龙江省、内蒙古自治区东北部，地处116°49′-126°38′E，47°1′-53°28′N之间，属寒温带大陆性季风气候。林区地形总体呈东北-西南走向，属浅山丘陵地带，北部、西部和中部高。因地理位置及海拔高度的不同，呈现不同的森林植被类型，具有代表性的有杜鹃落叶松林、越桔落叶松林、杜香落叶松林、草类落叶松林和白桦落叶松林等。

研究中使用的气象数据是中国气象数据网（http：//data.cma.cn）提供的位于大兴安岭地区25个气象站点的逐时日最高温度、日最小相对湿度、最大风速和降水量数据。植被数据是由USGS网提供的250m植被指数产品数据（MOD13Q1）计算得到。

2 森林火险等级预报系统原理和技术

2.1 系统原理

系统依据《中华人民共和国林业行业标准-全国森林火险天气等级》中的森林火险天气指数预测区域火险等级[9]，此模型适用于全国各类林区的森林防火期的火险天气等级评定。火险等级的算法见公式（1）。

公式（1）中，HTZ是火险等级，A、B、C、D、E分别代表最高气温、最小相对湿度、最大风速、降水量和植被覆盖度。

3 结果与討论

3.1 大兴安岭地区火险等级

根据2017年5月2日、2017年5月17日在大兴安岭地区不同林场发生火灾期间的气象和植被数据，计算火灾发生前该林场的火险等级。结果如图2，不规则多边形内是发生火灾的林场。

3.2 森林火险等级的影响因素

3.2.1 气温

林火多发生于白天气温最高的时间段，因为气温升高能够改变可燃物的物理性质，使可燃物的温度升高、含水量变小，易接近燃点，林火发生后，高温促使火势更加猛烈。现代的林火预报从两方面来考虑温度作用：可燃物本身温度和土壤温度，共同影响可燃物点燃的难易程度。温度的变幅和累积对林火的发生和蔓延都会产生影响，大火发生会引起气温升高，是区域着火与否的主要指标。

3.2.2 降水

森林火灾预报模型主要使用降水量和降水持续时间，以及降水后的连续干旱天数作为输入。降水量大小直接影响林区可燃物的含水量，可燃物含水量越高，着火率越低；可燃物含水量越低，着火率越高。如果降水量减少，无雨日数较长，森林中的可燃物含水量不断下降，森林火灾发生的可能性和严重性也随之增大。降水是火灾发生、火势蔓延的抑制因子，降水量与森林火灾呈负相关。

3.2.3 相对湿度

空气相对湿度是森林能否燃烧以及林火蔓延速度的重要参数。相对湿度关系到可燃物的着火和火势蔓延，当空气相对湿度小于可燃物含水量的情况下，可燃物的水分就会向外渗透，水分蒸发快，极易燃烧，发生森林火灾的可能性大，并且着火后很容易蔓延。空气湿度对细小可燃物含水率影响最大，对易燃性有重要影响，相对湿度大，细小可燃物水分附着量大，引起火灾的可能性小，反之，引起火灾的可能性大。

3.2.4 风速和植被覆盖度

风是预报中的重要因素，风能够加速可燃物的水分蒸发使可燃物变得易燃，也能带来氧气，增大火势。近地面的风，强烈受地形起伏和局部温度的影响，它不仅能够加速水分蒸发，促使林区植物干燥，加大火灾发生的可能性，而且在森林火灾发生后，风还能使火源得到充分的氧气供应，加快燃烧的速度，变小火为大火。

4 结束语

利用遥感数据和气象数据，森林火险等级的预测综合了影响火灾发生和发展的气象条件和可燃物状态。多个影响因子（日最高气温、日最小相对湿度、降水量、最大风速）的综合作用可以预测火灾发生的危险等级和火灾扩展的严重程度。基于模型对森林火险等级的实时预测，可以使森林保护部门高效快速准确的确定火灾危险高的区域，及时采取防护措施，避免火灾发生。

森林火险等级预警是一项复杂有重要需求的工作，在后期的工作中，我们将引入影响火灾发生的其他因子，例如地形，植被类型等提高火险预测精度，使模型的预测更加准确。

参考文献：

[1]舒立福，田晓瑞，寇晓军.林火研究综述（I）-研究热点与进展[J].世界林业研究，2003，16（3）：37～40.

[2]舒立福，张小罗，戴兴安，等.林火研究综述（II）-林火预测预报[J].世界林业研究，2003，16（4）：34～37.

[3]张伟.关于大兴安岭地区森林火灾与气象因素的模型及分析[D].东北林业大学，2015.

[4]白尚斌，张晓丽.林火预测预报研究综述[J].森林防火，2008（02）：22-25.

[5]Carlson J D， Burgan R E， Engle D M， et al. The Oklahoma Fire Danger Model： An operational tool for mesoscale fire danger tating in Oklahoma[J]. International Journal of Wildland Fire， 2002，11（4）：183～191.

[6]信晓颖，江洪，周国模，等.加拿大森林火险气候指数系统（FWI）的原理及应用[J].浙江农林大学学报，2011，28（2）：314～318.

[7]王金荣，史明昌，姜恩来，等.基于GIS的黑龙江大兴安岭森林雷击火发生概率预测模型[J].安徽农业大学学报，2015，42（05）：769-774.

[8]LY/T 1172-1995.全国森林火险天气等级[S].